燃料电池用催化剂及其制备方法和应用技术

本发明专利技术公开燃料电池用催化剂及其制备方法和应用。本发明专利技术的制备方法包括以下步骤：(1)将铂氯酸溶液加入碳粉悬浮液进行混合得到浆液，在80‑150℃下干燥成粉末，然后升温至200‑300℃在氢气环境中反应1‑5小时，得到第一碳颗粒；(2)将第一碳颗粒分散在具有支链的醇溶液中，并加入铁前驱体和钴前驱体进行混合，干燥后烧结形成第二碳颗粒；(3)在50‑60℃下用酸处理第二碳颗粒10分钟至50分钟，然后水洗，干燥后得到燃料电池用催化剂。本发明专利技术的燃料电池用催化剂活性和稳定性高，可用于制备燃料电池，特别是移动式电池。

Catalysts for Fuel Cells and Their Preparation and Application

The invention discloses a catalyst for fuel cell and a preparation method and application thereof. The preparation method of the invention comprises the following steps: (1) adding platinum chloride solution to carbon powder suspension for mixing to obtain slurry, drying to powder at 80 150 (?) C, then reacting at 200 300 (?) C in hydrogen environment for 1 5 hours to obtain the first carbon particle; (2) dispersing the first carbon particle in alcohol solution with branched chain; Adding iron precursor and cobalt precursor for mixing, the second carbon particles were sintered after drying; (3) The second carbon particles were treated with acid at 50 1089 The catalyst used in the fuel cell of the invention has high activity and stability, and can be used for preparing fuel cells, especially mobile batteries.

【技术实现步骤摘要】
燃料电池用催化剂及其制备方法和应用
本专利技术涉及燃料电池催化剂领域，具体地涉及具有高活性和稳定性的燃料电池用催化剂及其制备方法和应用。
技术介绍
燃料电池是一种不经过燃烧直接将燃料的化学能以电化学反应方式变为电能的发电装置,它作为一种能源利用的新技术，具有洁净、高效的特点。其中，低温燃料电池因具有工作温度低，启动快，能量转化率高等特点，是野外电站、电动汽车、便携式电源的理想替代电源，受到广泛的重视低温燃料电池，它是指低温下使用质子交换膜工作的燃料电池，包括H2/O2质子交换膜燃料电池(PEMFC)、直接甲酸燃料电池(DFAFC)和直接甲醇燃料电池(DMFC)等。PEMFC为适用范围最广的燃料电池类型之一，主要包括固定式电源和移动式电源两类。固定式电源PEMFC可以做成任意规模的发电装置，适宜作为分散型电站，可以与电网供电系统共用，主要用于调峰，也可以作为分散型主供独立电源。移动式电源PEMFC具有工作温度低、启动速度快、功率密度高和体积小等特点，可以用作车用动力源及一些便携小型移动电源。其中，移动式PEMFC电动车被公认为是电动车的未来发展方向。PEMFC的阳极为氢的氧化反应，阴极为氧的还原反应。电极上都含有催化剂可以加快电化学反应的速率。因此，电催化剂是完成电极反应的关键，其性能高低对于MEA的工作性能具有决定性作用。迄今为止，阳极催化剂主要采用Pt作为电催化剂，虽然在高纯度氢气条件下可长期工作，但由于铂的价格昂贵，使得PEMFC成本居高不下。因此，如何增加Pt的利用率，减少Pt的载量是重要课题。
技术实现思路
为了解决至少部分上述问题，本专利技术通过优化燃料电池用催化剂的制备步骤得到高活性和稳定性的催化剂，从而完成了本专利技术。具体地，本专利技术包括以下内容。本专利技术的第一方面，提供一种燃料电池用催化剂的制备方法，其包括以下步骤：(1)将铂氯酸溶液加入碳粉悬浮液进行混合得到浆液，在80-150℃下干燥成粉末，然后在氢气环境中升温至200-300℃反应1-5小时，得到第一碳颗粒；(2)将所述第一碳颗粒分散在具有支链的醇溶液中，并加入铁前驱体和钴前驱体进行混合，干燥后烧结形成第二碳颗粒；(3)在50-60℃下用酸处理所述第二碳颗粒10分钟至50分钟，然后水洗，干燥后得到燃料电池用催化剂。根据本专利技术某些实施方案的制备方法，其中步骤(1)中的碳粉悬浮液为碳粉在异丙醇中的悬浮液。根据本专利技术某些实施方案的制备方法，其中所述具有支链的醇溶液的Zeta电位为-40至-60mV。根据本专利技术某些实施方案的制备方法，其中具有支链的醇为C3-C10低级醇。根据本专利技术某些实施方案的制备方法，其中所述铁前驱体选自硝酸铁、磷酸铁、硫酸铁和氯化铁组成的组；所述钴前驱体选自硝酸钴、磷酸钴、硫酸钴和氯化钴组成的组。根据本专利技术某些实施方案的制备方法，其中步骤(2)的干燥条件包括在氢环境中在80-200℃下干燥，所述烧结条件包括在500-700℃下在含氢的惰性气体中烧结30-60分钟。根据本专利技术某些实施方案的制备方法，其中步骤(3)中的酸为硫酸，且其浓度为0.2M-0.8M。本专利技术的第二方面，提供一种燃料电池用催化剂，其由本专利技术的方法制备得到。本专利技术的第三方面，提供本专利技术的催化剂在制备质子交换膜燃料电池中的应用。优选地，所述质子交换膜燃料电池包括催化层、扩散层和交换膜，其中所述催化层包含根据权利要求8所述的催化剂；所述扩散层用于支撑所述催化层，且包含导电材料制成的多孔合成物；和所述交换膜为全氟磺酸材料与聚四氟乙烯的复合膜，其厚度为50-180μm。本专利技术的制备方法通过用铁钴元素促进铂与碳的结合，并通过酸处理步骤来除去结合强度弱的金属和其他杂质，由此提高了制备得到的催化剂的活性和稳定性。具体实施方式现详细说明本专利技术的多种示例性实施方式，该详细说明不应认为是对本专利技术的限制，而应理解为是对本专利技术的某些方面、特性和实施方案的更详细的描述。应理解本专利技术中所述的术语仅仅是为描述特别的实施方式，并非用于限制本专利技术。另外，对于本专利技术中的数值范围，应理解为具体公开了该范围的上限和下限以及它们之间的每个中间值。在任何陈述值或陈述范围内的中间值以及任何其他陈述值或在所述范围内的中间值之间的每个较小的范围也包括在本专利技术内。这些较小范围的上限和下限可独立地包括或排除在范围内。除非另有说明，否则本文使用的所有技术和科学术语具有本专利技术所述领域的常规技术人员通常理解的相同含义。虽然本专利技术仅描述了优选的方法和材料，但是在本专利技术的实施或测试中也可以使用与本文所述相似或等同的任何方法和材料。除非另有说明，否则“％”是指基于重量的百分数。本专利技术的“燃料电池用催化剂”，有时简称为“本专利技术的催化剂”，是指在燃料电池，特别是质子交换膜燃料电池(PEMFC)中用于催化燃料反应的物质。优选地，本专利技术的催化剂用于催化氢气和氧气进行反应，把化学能直接转化为电能。本专利技术的催化剂可以用作燃料电池的阴极催化剂，也可用作燃料电池的阳极催化剂。本专利技术的第一方面，提供一种燃料电池用催化剂的制备方法，其包括以下步骤：(1)将铂氯酸溶液加入碳粉悬浮液进行混合得到浆液，在80-150℃下干燥成粉末，然后在氢气环境中升温至200-300℃反应1-5小时，得到第一碳颗粒；(2)将所述第一碳颗粒分散在具有支链的醇(本文有时称作支链醇)溶液中，并加入铁前驱体和钴前驱体进行混合，干燥后烧结形成第二碳颗粒；(3)在50-60℃下用酸处理所述第二碳颗粒10分钟至50分钟，然后水洗，干燥后得到燃料电池用催化剂。本专利技术的步骤(1)的关键在于获得粒径均匀的细小碳颗粒，步骤(2)的关键在于获得担载适量合金，促进铂与碳的结合，而步骤(3)的关键在于优化合金与碳颗粒的结合，提高催化活性。本专利技术通过上述三个步骤的结合，实现优异的技术效果。下面详细说明各步骤。本专利技术的步骤(1)为得到第一碳颗粒的步骤，其中第一碳颗粒为吸附铂金属的碳颗粒，优选在表面吸附铂金属的碳颗粒。碳颗粒的平均粒径为5-50nm，优选为10-45nm。碳颗粒上吸附的铂金属的平均粒径为0.5-2nm，优选1-2nm。步骤(1)包括将铂氯酸(H2PtCl6)溶液加入碳粉悬浮液进行混合得到浆液，在80-150℃下干燥成粉末，然后在氢气环境中升温至200-300℃反应1-5小时。本专利技术的步骤(1)中，碳粉悬浮液是指将碳粉加入溶剂中形成的悬浮液，其中溶剂为有利于碳进行分散的有机溶剂，优选醇类溶剂。其实例包括但不限于甲醇、乙醇、正丙醇、异丙醇、正丁醇、异丁醇。需要说明的是碳粉在溶剂中的充分混匀是必要的。为了保证充分混匀可选择更易分散的溶剂。例如，由于碳粉在异丙醇中更易于分散，形成均匀的细小颗粒，因而优选异丙醇。另外，还可采用物理分散手段进行强化处理，所述物理处理手段包括搅拌、超声处理。例如，在超声条件下处理1-3小时。优选在强力搅拌的同时进行超声处理。本专利技术的步骤(1)中，将铂氯酸(H2PtCl6)溶液加入碳粉悬浮液后通常需要进行混匀，混匀手段包括超声处理或强力搅拌等物理方式，处理后的溶液变为浆液。铂氯酸的加入量不特别限定，可根据需要而进行适当调整。例如，可通过调整铂氯酸和碳粉的量以使第一颗粒中铂含量为10wt％-50wt％，优选20wt％-40wt％，还优选20wt％-45wt％。本发本文档来自技高网...

【技术保护点】
1.一种燃料电池用催化剂的制备方法，其包括以下步骤：(1)将铂氯酸溶液加入碳粉悬浮液进行混合得到浆液，在80‑150℃下干燥成粉末，然后在氢气环境中升温至200‑300℃反应1‑5小时，得到第一碳颗粒；(2)将所述第一碳颗粒分散在具有支链的醇溶液中，并加入铁前驱体和钴前驱体进行混合，干燥后烧结形成第二碳颗粒；(3)在50‑60℃下用酸处理所述第二碳颗粒10分钟至50分钟，然后水洗，干燥后得到燃料电池用催化剂。

【技术特征摘要】
1.一种燃料电池用催化剂的制备方法，其包括以下步骤：(1)将铂氯酸溶液加入碳粉悬浮液进行混合得到浆液，在80-150℃下干燥成粉末，然后在氢气环境中升温至200-300℃反应1-5小时，得到第一碳颗粒；(2)将所述第一碳颗粒分散在具有支链的醇溶液中，并加入铁前驱体和钴前驱体进行混合，干燥后烧结形成第二碳颗粒；(3)在50-60℃下用酸处理所述第二碳颗粒10分钟至50分钟，然后水洗，干燥后得到燃料电池用催化剂。2.根据权利要求1所述的燃料电池用催化剂的制备方法，其中步骤(1)中的碳粉悬浮液为碳粉在异丙醇中的悬浮液。3.根据权利要求1所述的燃料电池用催化剂的制备方法，其中所述具有支链的醇溶液的Zeta电位为-40至-60mV。4.根据权利要求1所述的燃料电池用催化剂的制备方法，其中具有支链的醇为C3-C10低级醇。5.根据权利要求1所述的燃料电池用催化剂的制备方法，其中所述铁前驱体选自硝酸铁、磷...

【专利技术属性】
技术研发人员：戚玉欣，党志东，陶志国，
申请(专利权)人：德州新动能铁塔发电有限公司，
类型：发明
国别省市：山东,37